干燥溫度對(duì)魔芋葡甘聚糖/納米玉米醇溶蛋白復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)和理化性能的影響

向 飛，王 巖，夏玉婷，倪學(xué)文

（湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，湖北武漢 430068）

石油基塑料的使用及隨意丟棄，已對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。因此，國(guó)內(nèi)外陸續(xù)提出“禁塑令”等環(huán)保要求，綠色無(wú)污染的可降解膜材料亟待開(kāi)發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，以天然多糖、蛋白和脂類為原料制得的可降解復(fù)合膜，在替代石油基塑料上有良好的應(yīng)用前景[2-5]；其中，多糖基復(fù)合膜的開(kāi)發(fā)受到研究者的青睞。魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan, KGM）取自魔芋根莖，是一種由葡萄糖和甘露糖殘基（1:1.6）通過(guò)β-1,4糖苷鍵聚合而成的分子量為2.0×105～2.0×106g/mol的非離子型多糖，具有良好的生物相容性和成膜性[6]。KGM經(jīng)溶脹、流延、干燥等工序可制得純KGM膜，因其疏水性差、脆性較強(qiáng)導(dǎo)致其應(yīng)用受限[7]。在改善純KGM膜性能的研究中，主要將KGM與其它組分共混，制得KGM基復(fù)合膜[2]。其中，向KGM基質(zhì)中添加納米顆粒，可顯著提升復(fù)合膜的理化性能[8]。例如，將殼聚糖/沒(méi)食子酸納米顆粒與KGM溶膠共混，混合體系中發(fā)生氫鍵和靜電斥力等作用，分子間相互纏結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制得復(fù)合膜的機(jī)械和阻隔性能增強(qiáng)[9]。將細(xì)菌纖維素納米纖維或氧化甲殼素納米晶/花青素與KGM溶膠共混，分子間存在氫鍵相互作用，形成互穿網(wǎng)絡(luò)，增加混合體系的內(nèi)聚性，顯著提高復(fù)合膜的機(jī)械和疏水性能[8,10]。

玉米醇溶蛋白（zein）來(lái)源于玉米，是一種分子量為1.9～2.2×104g/mol的疏水性蛋白，具有良好的生物相容性和生物可降解性[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)，zein-蘆丁復(fù)合納米粒子/玉米淀粉復(fù)合膜表現(xiàn)持久抗氧化活性，在活性包裝領(lǐng)域有潛在應(yīng)用前景[13]。Zein制成納米粒子后，其粒徑變得均勻，但不同的溫度可能引起粒子發(fā)生不同程度的聚集，從而影響復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和性能。本文以KGM和納米玉米醇溶蛋白（NZ）為成膜基質(zhì)，研究了不同干燥溫度對(duì)魔芋葡甘聚糖/納米玉米醇溶蛋白復(fù)合膜（KNZ）的微觀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、機(jī)械和阻濕性能的影響。研究復(fù)合膜在不同干燥條件下微觀結(jié)構(gòu)和理化性能的變化，有助于符合實(shí)際應(yīng)用需求的膜材料的設(shè)計(jì)和制備。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖（Mw 1.012×106g/mol；Mw/Mn 1.220；純度≥95%） 湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司；玉米醇溶蛋白（Mw 2.5～4.5×104Da；純度≥98%）百靈威試劑有限公司；無(wú)水乙醇、甘油、span 80 均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

FA 25高剪切分散乳化機(jī) 上海弗魯克科技發(fā)展有限公司；DNG-9031A烘箱 中國(guó)上海精宏有限公司；OS20-Pro攪拌器 美國(guó)塞洛捷克公司；LHS-150HC恒溫恒濕箱 中國(guó)無(wú)錫華澤科技有限公司；SC 502電子掃描顯微鏡 日本東京日立公司；Zetasizer Nano-ZS納米粒度儀 英國(guó)馬爾文儀器公司；VERTEX 70傅立葉紅外光譜儀、DSA25水接觸角儀 德國(guó)布魯克有限公司；DSC-Q10差示掃描量熱儀 美國(guó)梅特勒公司；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)SMS公司；W3/031水蒸氣透過(guò)率儀 中國(guó)濟(jì)南蘭光有限公司；Modulyod-230凍干機(jī) 美國(guó)熱力公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米玉米醇溶蛋白（NZ）的制備 NZ以反溶劑沉淀法制得，參考Parris等[14]的方法，略作修改。取1.0 g zein粉末，分散在15 mL 80%（v/v）乙醇溶液中，制得zein分散液。將zein分散液逐滴加至40 mL反滲透水（RO）中（同時(shí)在19000 r/min下剪切）。除去浮沫，在19000 r/min下繼續(xù)剪切2 min，冷凍干燥后即得NZ樣品，25 ℃密封放置，備用。

1.2.2 粒徑測(cè)試 采用Zetasizer Nano-ZS納米粒度儀測(cè)定NZ的粒徑。測(cè)試條件：測(cè)試溫度為25 ℃；折光指數(shù)：1.450；分散相折光指數(shù)：1.200；吸光指數(shù)：0.01；He-Ne激光光源輸出功率：4 mW；檢測(cè)角度173°；檢測(cè)波長(zhǎng)：633 nm。

1.2.3 膜的制備 將0.168 g NZ和0.042 g span 80分散至 20 mL 80%（v/v）乙醇溶液中（500 r/min，25 ℃攪拌15 min），制得NZ分散液。取1.032 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中攪拌溶脹（600 r/min，60 ℃ 攪拌 30 min），制得 KGM 溶膠。將NZ分散液加至KGM溶膠中，60 ℃繼續(xù)攪拌30 min，制得KNZ復(fù)合成膜液。將80±2 g成膜液經(jīng)流延方式注入平板內(nèi)（14 cm×14 cm×1.5 cm），在烘箱中干燥，以膜的水分含量至9%（w.b.）為干燥終點(diǎn)。不同干燥溫度制得的復(fù)合膜用T ℃ KNZ表示（T分別設(shè)置為 30、40、50、60、70、80）。取 1.200 g KGM和0.240 g甘油加至100 mL RO水中溶脹（600 r/min，60 ℃攪拌 60 min），60 ℃干燥，制得純 KGM膜。所有膜樣品置于25 ℃，50%相對(duì)濕度（RH）下平衡48 h備用。

1.2.4 微觀形態(tài) 利用SC 502掃描電子顯微鏡觀察NZ和膜的微觀形態(tài)。NZ微觀形態(tài)觀察：將NZ分散液流延在錫箔紙上，自然風(fēng)干成薄層后觀察。膜微觀形態(tài)觀察：將膜裁剪成4 mm×4 mm觀察表面形態(tài)；膜在液氮中脆斷后用于其截面形態(tài)觀察。測(cè)試條件：噴金壓力：7.5 Pa；噴金厚度：20 nm；噴金時(shí)間：90 s；加速電壓：30 kV；NZ 形態(tài)觀測(cè)倍數(shù)：50000×；膜表面觀測(cè)倍數(shù)：500×；膜橫截面觀測(cè)倍數(shù)：1000×。

1.2.5 傅里葉紅外光譜 將膜樣品裁成2 cm×2 cm，進(jìn)行衰減全反射紅外光譜掃描（FTIR）分析。測(cè)試前，樣品需在60 ℃下平衡48 h。測(cè)試溫度為：25 ℃；掃描波數(shù)為：4000～500 cm-1。

1.2.6 差示掃描量熱分析 參考Xiang等[15]的方法，利用DSC-Q10差示掃描量熱分析儀測(cè)試膜的熱穩(wěn)定性，采用10.00版STARe（Mettler Toledo, Zurich,Switzerland）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。樣品測(cè)試前在60 ℃下平衡48 h。樣品置于梅特勒皿，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為N2，檢測(cè)溫度為20～400 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.2.7 機(jī)械性能 參考 ASTM D882-09[16]，利用TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。將膜裁剪成切口均勻、無(wú)裂痕的5 mm×50 mm的長(zhǎng)條，置于夾持器中間夾緊，使用Texture Expert軟件記錄力和形變。測(cè)試條件：初始夾具間隔：30 mm；移動(dòng)速度：0.5 mm/s。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式如下：

式中：F為膜斷裂時(shí)的力，N；T為膜厚，mm；W為膜寬，mm。

式中：L0為膜的起始長(zhǎng)度，cm；L為膜斷裂前的最大長(zhǎng)度，cm。

1.2.8 溶解率和溶脹率 參考Xiang等[15]的方法，將膜裁剪成3 cm×3 cm，浸沒(méi)于100 mL RO水中（25 ℃，24 h）。將水倒出，膜置于105 ℃干燥至恒重。溶解率計(jì)算公式如下：

式中：W2為膜溶解前的質(zhì)量，g；W1為膜干燥至恒重的質(zhì)量，g。

將膜裁剪成2 cm×2 cm，浸沒(méi)于30 mL RO水中（25 ℃，5 h）。將膜取出，除去表面多余水分。溶脹率計(jì)算公式如下：

1.2.9 水接觸角 將膜裁剪成 3 cm×3 cm，利用DSA25水接觸角儀測(cè)試其表面的水接觸角值。測(cè)試條件：水滴體積：2 μL；保持時(shí)間：30 s。

1.2.10 水蒸氣透過(guò)率 利用W3/031水蒸氣透過(guò)率儀測(cè)試膜的水蒸氣透過(guò)率（10-13g·cm/（cm2·s·Pa））。將膜裁剪后置于裝有25 mL RO水的透濕杯上。測(cè)試條件：測(cè)試室溫度：38 ℃；相對(duì)濕度：90%；測(cè)試模式：連續(xù)模式。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)待測(cè)樣品至少做三次平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示。利用Origin 2017和SPSS 19.0進(jìn)行圖表的繪制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)單因素方差分析比較組間數(shù)據(jù)，圖中不同的字母表示差異性顯著（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

NZ微觀形態(tài)和粒徑大小如圖1。由圖1A觀察，NZ大小均勻，表面光滑，以單個(gè)納米球的形態(tài)存在。根據(jù)圖1B分析，NZ平均粒徑為92.36 nm，分布均勻。圖1B和圖1A的現(xiàn)象一致，表明制備的NZ為納米級(jí)且大小均勻，這與Parris等[13]以及Farajpour等[17]的報(bào)道一致。

圖1 納米玉米醇溶蛋白（NZ）的微觀形態(tài)（A）及其粒徑分布（B）Fig.1 Micromorphology (A) and the particle size distribution(B) of zein nanoparticles

純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的微觀形態(tài)如圖2～圖3。純KGM膜橫截面致密，KNZ的橫截面較純KGM膜粗糙。對(duì)于復(fù)合膜，30 ℃ KNZ截面出現(xiàn)大小不均的圓形蛋白顆粒；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ截面存在較大的橢圓形蛋白聚集體；40、50、60 ℃干燥的KNZ截面較致密，蛋白顆粒分布均勻，未見(jiàn)明顯的大顆粒聚集體。純KGM膜表面平整光滑，KNZ表面均出現(xiàn)蛋白顆粒，且不同干燥條件制備的復(fù)合膜表面聚集的蛋白顆粒大小和形態(tài)不同。30 ℃ KNZ表面蛋白顆粒大小不一，有較小的單個(gè)聚集體及多個(gè)蛋白顆粒聚集的團(tuán)狀體；70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ表面形成較大的蛋白聚集體；40、50、60 ℃干燥的KNZ表面蛋白分布和顆粒大小均勻。可見(jiàn)NZ分散在KGM基質(zhì)中，改變了KGM膜原生的微觀結(jié)構(gòu)，形成新的復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)。干燥過(guò)程中，存在溶劑的蒸發(fā)和溶質(zhì)的遷移，由于乙醇蒸發(fā)速率比水快，導(dǎo)致NZ發(fā)生聚集；不同的溶劑蒸發(fā)速率，NZ聚集程度不同，使復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)有差異[18-20]。干燥溫度較低時(shí)（30 ℃），干燥時(shí)間長(zhǎng)，蛋白有足夠的時(shí)間遷移和聚集，形成較大的顆粒[21]；干燥溫度較高時(shí)（70、80 ℃），干燥時(shí)間縮短，干燥過(guò)程劇烈，可能導(dǎo)致蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化[22-23]，蛋白分子因疏水相互作用、結(jié)構(gòu)重排或熱誘導(dǎo)交聯(lián)導(dǎo)致蛋白聚集，形成較大的蛋白顆粒[24-26]。因此，在KNZ干燥過(guò)程中，40、50、60 ℃是較佳的干燥溫度，形成的復(fù)合膜較致密、平整。

圖2 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的橫截面微觀圖Fig.2 Scanning electron microscopy images of the cross-section of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

圖3 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的表面微觀圖Fig.3 Scanning electron microscopy images of the surface of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.2 紅外光譜分析

圖4顯示了KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ復(fù)合膜的紅外光譜圖。KGM膜中，KGM分子的-OH和-C-H特征吸收峰分別在3320和2920 cm-1；1641 cm-1處的吸收峰可能是分子間水的存在引起的；870和807 cm-1為甘露糖在KGM分子中的特征吸收峰。與 KGM 膜相比，在 30、40、50、60、70、80 ℃制得KNZ的-OH特征吸收峰為3315～3319 cm-1，-OH吸收峰發(fā)生了偏移，表明加入NZ后，KGM與NZ發(fā)生分子間相互作用[15]。這與Zhang等[13]向玉米淀粉中添加zein-蘆丁復(fù)合納米粒子的研究結(jié)果相似。

圖4 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的紅外光譜圖Fig.4 FTIR of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.3 熱穩(wěn)定性

材料熱性能的變化反映物質(zhì)間相容性和材料的熱穩(wěn)定性。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的差示掃描量熱曲線如圖5。純KGM膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱降解溫度（Td）分別為 77.9和317.8 ℃。在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ的 Tg分別為：111.9、119.6、119.4、120.9、104.2和100.5 ℃；Td分別為：326.8、334.6、332.4、334.5、323.0和322.9 ℃。KGM基質(zhì)中加入NZ后，復(fù)合膜的Tg和Td均增加，且均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，可能是因?yàn)閺?fù)合膜基質(zhì)間的分子相互作用改變了原始的晶體結(jié)構(gòu)和分子網(wǎng)絡(luò)，NZ的添加導(dǎo)致復(fù)合膜的Tg和Td值高于KGM膜[15]。Motedayen等[27]研究發(fā)現(xiàn)，Tg的變化可以反映聚合物間的相容性；如果只出現(xiàn)一個(gè)Tg峰，表明聚合物分子間相容性好，如果出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)Tg峰，表明聚合物間的相容性不好或出現(xiàn)分相。由圖5可知，復(fù)合膜均只有一個(gè)Tg，表明KGM與NZ能較好的相容，二者未出現(xiàn)分相，推測(cè)分子之間存在相互作用。40、50、60 ℃干燥的KNZ的Tg和Td較高，可能在此溫度范圍內(nèi)聚合物分子間相互作用較強(qiáng)，溶質(zhì)分子間遷移受到限制，NZ的結(jié)構(gòu)未遭到破壞[28]，NZ能均勻分布在KGM基質(zhì)中，此現(xiàn)象與其微觀形態(tài)變化現(xiàn)象一致。

圖5 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的差示掃描量熱曲線Fig.5 Differential scanning calorimetry curves of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.4 機(jī)械性能

純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的膜厚及機(jī)械性能如圖6。70 ℃ KNZ和80 ℃ KNZ的膜厚顯著高于其他組（P＜0.05）；純 KGM膜和 30、40、50、60 ℃干燥的KNZ的膜厚無(wú)顯著性差異（P＞0.05）?？赡苁怯捎诟稍餃囟冗^(guò)高（＞70 ℃），干燥過(guò)程劇烈，蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化和結(jié)構(gòu)重排，蛋白聚集或交聯(lián)成大顆粒，使膜厚增加[22-23,26]。由圖6B可知，在 30、40、50、60、70、80 ℃ 制得的 KNZ 的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率（60.28～79.27 MPa；31.73%～47.50%）均高于純 KGM 膜（42.02 MPa；21.2%），可能是KGM與NZ之間較好的相容性和分子間相互作用，以及NZ在基質(zhì)中的“增塑”作用，使得KNZ的機(jī)械性能增強(qiáng)[18,29]。其中，40、50、60 ℃干燥的KNZ的斷裂伸長(zhǎng)率顯著大于其他組（P＜0.05），且40 ℃ KNZ 的拉伸強(qiáng)度最大（79.27 MPa）。

圖6 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的膜厚（A）、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率（B）Fig.6 Thickness (A), tensile strength and elongation at break(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

2.5 溶解率和溶脹率

膜材料的溶解率和溶脹率可直觀評(píng)價(jià)材料的親、疏水性，其值越低，膜材料的疏水性越好。由于KGM親水性強(qiáng)，純KGM膜在水中快速溶脹溶解，無(wú)法測(cè)得其溶解率和溶脹率。不同干燥溫度制備的KNZ的溶解率和溶脹率如圖7。30、70、80 ℃干燥的KNZ的溶解率均大于25%，溶脹率分別為1430.35%、2140.05%、2510.67%，疏水性較差，可能是由于復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，導(dǎo)致其耐水性能差。40、50、60 ℃干燥的KNZ的溶解率和溶脹率均顯著低于其他組（P＜0.05），表明此條件下制備的復(fù)合膜疏水性較好，可能是由于NZ與KGM之間相容性更好，形成了致密膜結(jié)構(gòu)[15]。其中40 ℃ KNZ的溶解率（19.99%）最低，表明在此干燥溫度下，分子間的相互作用最強(qiáng)，形成了更加致密的結(jié)構(gòu)，復(fù)合膜的疏水性最好。

圖7 不同干燥溫度制備的KNZ的溶解率和溶脹率Fig.7 Swelling and solubility of KNZ dried at different temperatures

2.6 水接觸角和水蒸氣透過(guò)率

水接觸角值可評(píng)估材料的表面疏水性，其值越大，表面疏水性越好。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的水接觸角值如圖8A。KNZ的水接觸角值顯著大于純KGM膜（P＜0.05），表明NZ的添加提高了復(fù)合膜的表面疏水性。40、50、60 ℃干燥的KNZ的水接觸角值顯著高于其他組（P＜0.05），可能是在此干燥條件下，NZ與KGM的分子間相互作用較強(qiáng)，NZ均勻分布在KGM基質(zhì)中，形成致密的膜結(jié)構(gòu)和疏水的表面[24,29]，使其疏水性增強(qiáng)，此現(xiàn)象與溶解率和溶脹率結(jié)果一致。純KGM膜和不同干燥溫度制備的KNZ的水蒸氣透過(guò)率如圖8B。純KGM膜的水蒸氣透過(guò)率最大，顯著高于其他組（P＜0.05），表明純KGM膜的阻濕性較差，水分子很容易滲透純KGM膜。其原因是KGM親水性好，水分子易與KGM發(fā)生相互作用，使膜結(jié)構(gòu)變軟而疏松，導(dǎo)致其阻濕性差[24]。40 ℃ KNZ的水蒸氣透過(guò)率最低（7.641×10-13·g·cm/（cm2·s·Pa）），表明在此干燥溫度下，NZ與KGM間的相互作用最強(qiáng)，形成的膜結(jié)構(gòu)更加致密，內(nèi)部通道更加復(fù)雜，使得水蒸氣通過(guò)的效率降低，阻濕性增強(qiáng)[24,30-31]。

圖8 純KGM膜及不同干燥溫度制備的KNZ的水接觸角值（A）和水蒸氣透過(guò)率（B）Fig.8 Water contact angle (A) and water vaper permeability(B) of pure KGM film and KNZ dried at different temperatures

3 結(jié)論

不同干燥條件下，KNZ的微觀結(jié)構(gòu)和理化性能存在顯著差異。干燥溫度較低時(shí)（30 ℃），干燥時(shí)間長(zhǎng)，分子遷移時(shí)間增加，NZ聚集和交聯(lián)的機(jī)會(huì)加大，KNZ內(nèi)NZ聚集的顆粒大小不一，分布不均勻。在適宜干燥溫度下（40、50、60 ℃），NZ與 KGM相容性更好，NZ在KGM基質(zhì)中分散較均勻，復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)致密；復(fù)合膜的機(jī)械和疏水性能顯著優(yōu)于其他組（P＜0.05）；尤其 40 ℃ KNZ具有較好的物性學(xué)性能，其熱分解溫度（334.6 ℃）和拉伸強(qiáng)度（79.27 MPa）最大，溶解率（19.99%）和水蒸氣透過(guò)率（7.641×10-13g·cm/（cm2·s·Pa））最小。干燥溫度較高時(shí)（＞70 ℃），溶劑揮發(fā)速率加大，分子間運(yùn)動(dòng)劇烈，NZ二級(jí)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)重排導(dǎo)致聚集顆粒較大，復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)較松散。綜上，40 ℃干燥獲得的KNZ的理化性能最佳。本文研究了不同干燥溫度對(duì)KNZ微觀結(jié)構(gòu)和理化性能的影響，關(guān)于40 ℃ KNZ的成膜過(guò)程及成膜過(guò)程中分子的自組裝行為還需深入研究，為膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。